핵융합, 중성자별, 초신성, 블랙홀 등으로 설명하는 우주

우주 모멘트 - 우주 감각을 깨우는 천문학 공부
일본과학정보 지음, 류두진 옮김, 와타나베 준이치 외 감수 / 로북 / 2023년 10월

‘우주 모멘트’는 진기한 정보로 가득한 책이다. 가장 먼저 눈에 띄는 것은 관측 가능한 우주의 크기는 465억 광년이란 말이다. 465억 광년(이론상의 수치)이란 우주의 팽창이 표면의 팽창이 아닌 모든 공간의 팽창이기에 나온 수치다. 당연히 관측 가능한 우주의 건너편은 상호작용하지 않아 알 수 없다. 어려운 말이지만 저자는 현대물리학의 표준 모형(양자역학)에서는 소립자를 이론으로 나타내 계산하기 위해 그 크기를 0 또는 점으로 하기로 약속함에 따라 소립자 계산이 가능해졌고 미시적 영역과 우주 대부분을 이해할 수 있게 되었다고 말한다.(42 페이지)

1990년 무렵까지 우주가 빅뱅의 여운으로 팽창한다고 생각했다. 1998년 Ia형 초신성이 관측되면서 천문학과 물리학에 충격을 주었다. 우주 팽창이 오히려 가속되고 있기 때문이었다. 암흑 에너지 때문으로 보고 있다. 암흑 물질은 공간이 가진 에너지다.(46 페이지) 암흑 에너지 말고 짚고 넘어가야 할 미지의 물질이 암흑 물질이다. 검출이 가능하지 않아 미세물질도 아니고 물질과 작용해 감마선을 방출하지도 않아 반물질도 아니고 주변 별에 더 강력한 영향을 미치지도 않아 블랙홀도 아니다.(48 페이지)

현재 천연 원소의 숫자는 양성자와 중성자, 전자의 구성비에 따라 94개에 달한다. 물체의 내부를 알아보는 방법은 파괴하는 것이다. 원자끼리 충돌시켜 원자를 파괴했을 때 나오는 입자를 관찰하는 것이다. 이때 가속기를 사용한다. 가속기 안에 양성자나 전자를 넣고 광속에 가까운 속도까지 가속해 서로 충돌시켜 안에서 나온 입자를 관측한다. 우주를 관측할 때는 X선 망원경을 지상이 아닌 우주에 발사한다. 우주에서 오는 X선은 공기에 닿으면 확산되고 감쇠하기 때문이다.(61 페이지)

중력은 상대성이론이 나타내는 무대이고 소립자는 양자역학이 나타내는 배우와 같다. 그런데 그 연극을 통일하지 못해 양자역학에 중력을 적용할 수 없다. 그렇기에 양자역학에 중력을 적용하기 위한 소립자 즉 중력자를 고안했다. 중력자는 가설에 불과한 소립자다. 우주는 거의 진공 상태인데 장소에 따라 분자의 밀도가 높은 부분이 존재한다.(73 페이지) 이 부분을 지구에서 보면 검은 구름처럼 보여 암흑성운이라 한다. 태양의 질량을 1이라 할 경우 태양 정도로 밝게 빛나는 항성이 되려면 태양 질량의 약 0.08배에 해당하는 질량이 필요하다.(74 페이지)

0.08배 이하의 별은 압력과 온도가 부족해 수소 핵융합이 불가능하다. 별에 포함된 중수소가 핵융합하여 약간의 열량이 생기면 별은 어둑하게 빛나다가 수억 년 후 핵융합이 멈추고 식어 점차 어두워진다. 이 별을 갈색왜성이라 한다.(75 페이지) 항성은 핵융합에 의해 팽창하려는 힘과 중력에 의해 수축하려는 힘이 균형을 이루어 태양처럼 밝게 빛나는 항성이 된다. 항성은 가벼울수록 수명이 길다. 인류는 아직 항성이 수명이 다하는 것을 본 적이 없다. 태양을 포함해 태양의 0.5배에서 10배 크기의 항성은 수소 핵융합으로 헬륨이 생성되면서 별의 중심에 헬륨이 모여 있다.

중심에서 핵융합하던 수소는 외층으로 밀려나 그곳에서 핵융합을 시작한다. 그 결과 항성은 팽창하고 거대해진다. 태양 질량의 10배에서 29배에 이르는 항성은 헬륨의 핵융합으로 탄소와 산소가 만들어진다. 이후로도 핵융합이 이어져 네온, 마그네슘, 규소 등이 생성된다. 최종적으로 가장 안정적인 철이 만들어진다. 철은 가장 안정적인 원소이기에 더 이상의 핵융합이 이루어지지 않는다. 이 때 별은 두 힘(핵융합으로 확대하려는 힘과 중력에 의해 수축하려는 힘)간의 균형이 깨져 중심을 향해 단번에 수축한다. 중심부의 압력이 상승하면 철이 중성자로 변한다.

중성자는 더 이상 수축하지 않는 축퇴압(縮退壓)을 가지고 있으므로 중심부의 수축이 순식간에 멈추고 반동으로 표면 물질이 단번에 날아가 별의 핵만 남는다. 이를 초신성 폭발이라 한다. 이렇게 하여 중성자로 이루어진 고밀도의 천체 즉 중성자별이 탄생한다.(79 페이지) 중성자별의 밀도는 압도적이다. 중성자별은 중력에 의해 수축하려는 힘과 중성자가 가진 축퇴압이 균형을 이루어 형태를 유지한다. 물질을 구성하는 최소 단위를 양성자, 중성자, 전자라고 여겼던 시대의 가장 궁극적 천체가 중성자별이다.

하지만 소립자의 발견으로 물질을 구성하는 최소 단위가 작아져 쿼크별, 기묘한 별 등 새로운 천체에 관한 연구가 이루어지고 있다. 중성자별은 우리 우주에서 가장 극단적이면서 혹독한 천체 중 하나다. 지름이 20km에 불과한데 질량은 태양과 거의 비슷하다. 작고 매우 무거우며 강력한 중력으로 빛조차 휘게 한다.(82 페이지) 항성의 대부분은 양성자와 전자가 제각기 움직이는 수소의 플라스마 상태다. 항성의 중심인 핵에 가까워지면 압력이 더욱 높아지고 온도가 상승해, 원래였다면 서로 반발했을 양전하를 가진 양성자들의 사이가 가까워진다.

온도가 더욱 높아지면 양성자들끼리 반발하는 힘을 떨쳐내고 충돌해 융합한다. 이를 핵융합이라 한다. 수소가 융합하면 막대한 에너지를 방출하면서 헬륨을 생성한다. 별은 자신의 중력으로 스스로 쪼그라드는데 중심에서 일어나는 핵융합이 쪼그라드는 힘을 밀어낸다. 이 절묘한 균형으로 항성은 태양처럼 둥글고 오랜 시간 밝게 빛난다. 하지만 이 균형은 영원하지 않다. 수소의 핵융합이 오래 지속되면 연료인 수소가 점차 줄어들고 수소보다 무거운 헬륨이 항성의 중심에 모인다. 태양 정도 크기의 별은 이 상태가 되면 중심부가 헬륨으로 가득 차고 수소는 물러나서 중심이 아닌 중심보다 조금 바깥쪽의 수소가 핵융합을 시작한다.

일반적으로 전자와 양성자는 반발하는 힘을 가지고 있어서 들러붙는 일은 없다. 하지만 별이 쪼그라들 때의 압력이 매우 강력해 전자와 양성자가 들러붙고 중성자가 생성된다. 초신성 폭발 후 별의 중심에 핵만 남는데 이것이 중성자별이다. 지구나 우주에 존재하는 철보다 무거운 원소의 대부분은 중성자별끼리 충돌해 만들어진다. 중성자별은 서로 충돌해 무거운 원소를 만들어낸 후 블랙홀이 되어 죽음을 맞는다. 양성자와 중성자는 쿼크로 이루어졌다. 쿼크들을 묶어주는 소립자가 글루온이다. 글루온은 강력을 전달해 입자의 형태를 유지한다.

여섯 종류의 쿼크의 다양한 조합으로 만들어진 입자 중 안정적인 것은 양성자, 중성자다. 쿼크는 양성자와 중성자를 구성하는 동안에만 안정적이다. 쿼크 단독으로는 존재할 수 없다.(95 페이지) 수성은 항성인 태양에 가까이 있어 그 강한 중력에 따라 자전에 제동이 걸려 지구를 도는 달처럼 항상 같은 면을 태양을 향한 채 돈다는 말(104 페이지, 203 페이지)이 새롭다. 물론 수성의 궤도는 타원형이어서 완전한 제동을 피하고 자전한다. 금성은 지구에서 가장 가까운 행성이다. 대기가 이산화탄소로 이루어져 매우 무겁다. 지표면 부근의 기압은 지구의 92배에 달한다.

금성 지표면 부근에 있는 것은 수심 920 미터의 바다에 맨몸으로 잠수하는 것과 같다. 화성과 목성 사이에는 행성이 되지 못한 물질의 집합체인 소행성대가 있다. 일반적으로 행성은 충돌을 거듭해 만들어진다. 화성과 목성 사이의 소행성들은 목성의 강력한 중력에 의해 성장을 방해받아 그대로 남아 있는 것들이다. 물론 이런 목성은 운석이 지구에 충돌하는 것을 막아주는 존재이기도 하다. 목성이 없었다면 운석이 지구에 충돌하는 빈도가 늘어 생명이 풍부한 지구가 만들어지지 않았을 것이란 말이 있다.(110 페이지)

태양의 성분인 수소는 초고압으로 전자가 자유롭게 돌아다니는 플라스마 상태다. 과학에서 에너지는 단 두 가지다. 화학적 위치 에너지, 운동 에너지 등이다. 석유나 석탄은 불을 붙이면 화학 결합이 파괴되어 에너지가 방출된다. 방출된 에너지는 열로 나타나며 우리는 그것을 느낀다. 물의 경우 각 분자의 에너지를 평균한 것이 온도로 나타난다. 우주가 가진 총에너지는 우주 탄생부터 현재, 그리고 미래에도 항상 일정하다. 그 수수께끼를 푸는 열쇠가 아인슈타인이 발표한 상대성이론 공식 E =mc²이다. 막대한 에너지를 매우 좁은 영역에 응축하면 물질이 만들어진다. 소립자가 그것이다.(125 페이지)

에너지로부터 소립자가 만들어질 때 반드시 두 개가 한 세트로 출현한다. 전자와 양전자 식으로. 양성자나 중성자를 충돌시키는 가속기로 에너지에서 물질을 만들 수 있다. 가속된 양성자나 중성자가 부유 상태의 원자에 충돌하면 막대한 에너지가 고밀도로 발생하고 에너지로부터 입자가 만들어진다. 우주 탄생 초기에 물질과 반물질이 정확히 반반씩이었다면 현재 우주는 전자기파만 떠도는 적막한 공간이 되었을 것이다. 아인슈타인은 중력과 가속은 같다는 전제하에 중력을 특수상대성이론에 도입한 일반상대성이론을 완성했다.

태양이 방출하는 모든 에너지의 99%는 중성미자이고 나머지 1%는 전자기파다. 아인슈타인은 광양자 가설로 노벨상을 수상했다. 광양자 가설은 빛은 에너지를 가진 입자라는 주장을 담은 설이다. 빛의 이름은 광자다. 중성미자는 다른 물질과 거의 상호작용하지 않는 불가사의한 소립자다. 소립자는 크게 두 종류로 분류할 수 있다. 하나는 쿼크와 렙톤(전자, 중성미자)이고 다른 하나는 소립자 사이에서 힘을 매개하거나 소립자에 질량을 부여하는 게이지 입자와 힉스 입자다.(157 페이지) 중성미자의 무게는 전자 무게의 수백만 분의 1 정도에 불과하다.

초신성 폭발을 관측하면 중성미자를 관측할 수 있다. 초신성 폭발 직전의 별은 수십배에서 수백배에 이르는 비정상적인 크기로 팽창한다. 중성미자는 폭발 순간에 빛보다 빠르게 지구에 닿는 입자다. 핵융합을 하지 않는 별은 핵을 향해 단번에 수축하고 핵에서 반발해 나온 충격파가 별을 날려버린다.(163 페이지) 중성미자는 다른 물질과 거의 상호작용하지 않지만 드물게 물 분자와 충돌해 전하를 띤 입자를 발생시킨다. 물론 순도 높은 물이어야 한다.(165 페이지)

지구 탄생 직후 표면이 새빨갛게 타던 무렵 지구 대기는 태양과 거의 비슷하게 수소와 헬륨으로 이루어졌었다. 강력한 태양풍이 대기의 대부분을 날려버리고 우주 공간으로 방출시켰다. 이로써 지구는 한때 대기가 거의 없는 상태였었다. 이후 표면 온도가 식어 지각이 생기고 화산 활동이 시작되고 대량의 이산화탄소가 방출되었다. 결빙선(화성과 목성 사이에 존재하는, 지구형 행성과 목성형 행성을 나누는 경계) 바깥의 몇몇 소행성이 지구에 충돌해 대량의 물을 지구에 공급했다. 지구가 더욱 식어가자 대기 중의 수증기가 구름을 만들어 비를 내리게 했다. 비는 바다를 만들고 바다와 암석이 이산화탄소를 흡수해 대기압이 급속히 낮아졌다.

대량의 수증기로 만들어진 바다는 중금속이 녹아내리는 산성을 띠어 매우 유독했다. 지구 내부의 맨틀이 대류하면서 일부가 판에 균열을 만들어 판이 밀려났다. 밀려난 만큼 판은 다른 곳으로 침강했다. 바다에 포함된 중금속이나 육지에서 흘러들어와 바다의 산성을 중화하는 이산화탄소를 흡수한 암석이 해저에 쌓여 판의 침강과 함께 지구 내부에 갇혔다. 이렇게 생명이 탄생할 수 있는 환경을 갖춘 바다가 만들어졌다.(176 페이지) 지금으로부터 22억년 전쯤에 우리 은하와 소형 은하가 충돌했다. 이 충돌로 거대한 별이 단번에 생겨났다. 거대하고 수명이 짧은 항성은 초신성 폭발을 일으켰다.

초신성 폭발로 발생한 강렬한 전자기파가 지구에 쏟아져 내려 대기를 변화시키고 구름을 만들어 지구 전체가 얼어붙었다. 거의 모든 생명체가 멸종했다. 두꺼운 얼음으로 뒤덮인 바다 아래에서는 살아남은 생명이 다음 진화를 준비하고 있었다. 지구가 다시 따뜻해지자 살아남은 생명이 진화를 시작해 지구는 다시 생명으로 넘쳐났다. 판의 이동으로 대륙의 형태는 끊임없이 변화하고 대륙으로부터 대량의 영양분이 바다로 흘러들었다. 그때(약 5억 5천년전)까지 몸의 형태가 부드러운 생명만 존재했던 바다에 칼슘이 증가했다. 조개처럼 표면에 딱딱한 골격을 가진 생명이 탄생하기 시작했다.(179 페이지)

지금으로부터 700만년전 인류에게 커다란 분기점이 생겼다. 사람 아족과 침팬지 아족의 분기다.(185 페이지) 250만년전 사람속 최초의 인류가 탄생했다.(181 페이지) 30만년전 수렵생활을 하고 문화가 탄생하면서 간단한 단어로 소통을 하게 되었다. 이 무렵 존재했던 인류의 종류는 여섯이다. 호모 하빌리스, 호모 에르가스터, 호모 에렉투스, 호모 하이델베르겐시스, 호모 네안데르탈렌시스, 호모 사피엔스 등이다. 인류가 크게 변화했던 시기는 지금으로부터 약 5만년전이다. 그 이전에 사람은 석기를 사용하거나 불을 사용하면서 서서히 진화를 계속했다. 진화의 속도는 매우 느렸다. 유전자의 진화에 불과했다.

5만년전을 경계로 사람은 함정을 사용해 수렵을 하거나 옷을 만들거나 죽은 사람을 매장하거나 동굴 벽화를 그리기 시작했다. 언어의 발달로 인한 결과다.(186, 187 페이지) 인류 역사상 최강(현대인보다 뇌 크기도 크고 몸도 근육질이었고 생활과 관련한 모든 것을 기억해 동식물의 모든 지식을 취한)이었던 그들이 크게 변화하는 사건이 찾아온다. 약 1만년전의 농업혁명이다.(189 페이지)

백색왜성은 별의 시체다. 두 가지 패턴이 있다. 하나는 적색왜성이 타고 남은 재다. 다른 하나는 태양과 같은 거대 행성에서 만들어진다. 거대 항성은 중심부에 수소가 핵융합해서 밝게 빛난다. 점차 수소가 줄어들면 중심부에 헬륨이 모인다. 헬륨 바깥에서 수소가 핵융합한다. 이 상태가 되면 별은 매우 불안정해진다. 별은 팽창과 수축을 반복하면서 서서히 물질을 방출한다. 별의 약 절반 정도 되는 물질을 방출하고 나면 중심부에는 핵만 남는다. 별의 중심부에서 이루어지는 핵융합은 제어된 핵융합이지만 별의 표면에서 핵융합이 시작되면 그야말로 수소폭탄 그 자체다.(205 페이지)

단번에 수소가 융합해 폭발하는 것을 신성(新星)이라 한다. 태양보다 압도적으로 무거운 별은 수소가 헬륨으로 융합하고 헬륨이 탄소나 산소로 융합해 마지막에는 철이 만들어진다. 철은 핵융합으로 에너지를 방출하지 않아 더 이상 핵융합하지 않는다. 별은 안쪽에서 반발하는 힘을 잃어버린다. 반발하는 힘을 잃어버린 별은 빛의 1/4의 속도로 그야말로 한순간에 수축하고 만다. 수축은 별의 중심에서 튕겨 되돌아오고 반동으로 별은 단번에 물질을 방출한다. 이것이 초신성 폭발이다.(249 페이지) 이때 별의 크기가 태양의 10~20배 정도가 되면 폭발 후에 중성자별이 남는다. 그리고 별의 크기가 태양의 30배 이상이 되면 초신성 폭발 후 블랙홀이 생성된다.(249 페이지)

저자는 그레이트 필터 이야기를 한다. 그레이트 필터는 지능을 가진 생명의 숙명인지 모른다. 생명을 근절할 수 있는 기술을 가졌을 때 스스로를 멸망시켜버리는 것일지도 모른다.